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地震作用下土—桩—结构动力相互作用的数值模拟

肖晓春  
【摘要】: 桩基是一种历史悠久当今又广泛采用的基础形式,历次世界大地震中,均出现了各类桩基础的严重破坏现象。由于破坏的隐蔽性,使得破坏桩基的修复极为困难而且耗资巨大,因此对地震作用下土—桩—结构动力相互作用进行数值模拟研究具有重要的学术意义和较强的工程实用价值。 作者在研读大量国内外文献的基础上,对前人的成果按桩的分析模型、群桩效率、土—桩—结构动力相互作用的分析方法等几个方面进行了系统地总结。地震作用下土—桩—结构动力相互作用是一个多学科交叉,多部门关注的复杂课题,针对不同的具体问题,一方面要改进与发展理论严密的精细分析方法,同时也要发展计算模型简单、参数便于确定的实用性较强的简化分析方法,以满足不同工程的抗震设计要求。基于此,本文循着土—桩—结构动力相互作用的简化分析和有限元分析两条线路开展了如下工作: 以动力Winkler地基上的梁模型为基础,以单调加载得到的单桩p-y曲线为骨干曲线,用修正的Ramberg-Osgood模型建立单桩在不规则循环荷载作用下的p-y曲线,从而可以方便地确定不规则循环荷载作用下土体的水平刚度,模拟土体的非线性,并考虑土体的材料和滞回阻尼特性,结合有限元思想建立土—桩—结构体系动力相互作用的控制方程,编制相应的计算程序。运用该模型对桩—土体系的地震动输入水平、桩的长径比、桩土的模量比等无量刚参数按正交试验方法进行参数敏感性分析,并对单桩支承的剪切性结构体系进行了较全面的参数分析。 基于Penzien提出的集中质量模型,将上部结构和桩基础离散为剪切型质点串,以弹簧和阻尼器模拟桩周围的土体,考虑了等价土体层间剪切和阻尼效应,给出了相互作用参数的确定方法,建立土—桩—结构动力相互作用的简化分析模型,通过对土体模量的等价线性迭代逼近体系的非线性动力响应。将该分析模型退化运用到单桩情况,并与前面单桩简化分析的结果进行比较,结果表明两种模型吻合较好,说明单桩动力相互作用中,等价土体对结构体系地震响应的影响不大。通过运用该模型对高柔结构以及相对刚性结构进行地震响应时程分析得出:对于高柔结构而言,相互作用对体系地震响应的影响不太显著,对相对刚性的结构则有显著的影响。等价土体对群桩基础的动力特性影响显著,主要表现在等价土体增加了基础的刚度,基础刚度增加是由于等价土体的层间剪切刚度所致。 系统地介绍了Desai提出的单面模型的基本理论,该模型用一封闭光滑的空间曲面来确定连续屈服面和极限强度,避免了在屈服面上出现奇异点。对屈服加载和非屈服加载进行分别处理,非屈服加载情况,通过与当前应力点对应的屈服面上的镜像应力点和塑性模量插值函数方法建立循环加载条件下的塑性模量场,给出了模型参数的标定方法,探讨了各模型参数对模型的影响,并针对该模型设计稳定可靠的数值算法。 开发了土一桩一结构动力相互作用的有限元分析程序。程序中以普通8结点单元模拟 桩周围的土体,以6面体非协调单元模拟桩体,土体按弹塑性考虑,土体的动力本构 模型采用单面模型。最后运用作者开发的程序对单桩、群桩进行较全面的参数分析, 并就高桩承台的自由长度对地震响应的影响进行了探讨。分析结果表明:土体特性对 结构体系的地震响应有显著影响,对土体按弹塑性考虑是必要的,高桩承台的自由长 度是影响高桩承台基础自振特性及地震反应的重要指标,设计中进行自由长度选择时 应综合考虑对结构体系变形和内力两方面的影响。最后就简化分析与有限元分析结果 进行对比,结果表明在弱震情况下两种模型吻合较好。


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